无源交调的产生与预防

电子科技大学贾宝富博士现代滤波器设计讲座（九）无源交调的产生与预防无源交调的产生与预防随着移动通信的飞速发展，通讯系统的发射随着移动通信的飞速发展，通讯系统的发射功率和接收灵敏度都有进一步的提高。并且，在功率和接收灵敏度都有进一步的提高。并且，在同一传输信道内有可能存在很多不同频率的信同一传输信道内有可能存在很多不同频率的信号。在高功率条件下，一些原本认为具有线性特号。在高功率条件下，一些原本认为具有线性特性的无源元件，例如：滤波器、双工器、接头、性的无源元件，例如：滤波器、双工器、接头、天线和传输电缆等，都表现出了非线性特性。因天线和传输电缆等，都表现出了非线性特性。因此，就有可能使不同频率的信号之间产生调制。此，就有可能使不同频率的信号之间产生调制。这就是无源交调这就是无源交调(Passive(Passiveintermodulationintermodulation／／PIM)PIM)。产生无源交调的结果是使有效传输信号发。产生无源交调的结果是使有效传输信号发生畸变，产生噪声和杂波，影响信号传输速率。生畸变，产生噪声和杂波，影响信号传输速率。序言11、无源交调产生的原因、无源交调产生的原因在环球移动通信（在环球移动通信（GSMGSM）、）、数据通信系统数据通信系统(DCS)(DCS)18001800、、个人通信服务系统个人通信服务系统(PCS)1900(PCS)1900和传呼台等蜂和传呼台等蜂窝基站上，由于传输功率较大，且双工器、射频同轴连窝基站上，由于传输功率较大，且双工器、射频同轴连接器和天线都是用在发射通道。因为系统是双工的，即接器和天线都是用在发射通道。因为系统是双工的，即多载波发射通道同时也是接收通道，所以对多载波发射通道同时也是接收通道，所以对PIMPIM的要求的要求非常严格。非常严格。通讯系统对无源交调的典型需求信号在线性系统的传输，特性是成比例线性变化的（如图一），而在非线性系统的传输特性是按指数规律变化的（如图二）。从图二可明显地看出，正半周的幅度大于负半周的幅度，该波形的特性与原有信号相比已发生了质的变化，它是由原来的基波和相应的谐波叠加而成，这些谐波将同传输线上的其它载波进行互调。这一交调的结果就产生了一些额外的频率，即交调生成物，如图三中的2F1一F2、2F2一F1、3Fl一F2、3F2一Fl等。当这些交调生成物在传输线中足够大时，就会象载波一样的传输线中传输而占用有效的信号通道。描述腔体产生无源交调的电路模型„假定，这里的非线性与腔体色散无关。„其中，Rp是下述V-I特性所描述的非线性电阻。产生PIM的原因谐振腔的双频（Two-tone）特性„输入的双频信号：简化电路的分析结果用简单的电路模型评估腔体的PIM„模型参数：„谐振频率：f0„有载和无载Q值：Q0，QL„固有的PIM：Px„输入功率。PIM与模型参数的关系„Decreasesof2dB/dBwithPx„IncreaseswithQL/Q0forQL/Q01,thendecreases„Increasesof3dB/dBwithPin测试腔体将变化的参数„无载Q值(腔体体积)„有载Q值(输入/输出耦合电平)„固有的非线性参数Px:‰腔体形状；‰耦合结构；‰调谐元件；‰镀银；测试腔体的物理结构(GSMTXband)„腔体类型:具有电容加载的同轴腔；„腔体外部横截面:方形；„调谐元件:深入内导体的螺丝；腔体的几何尺寸和变化量„腔体宽度:22.5or45mm(改变Q0)；„内导体截面:圆形或方形；„输入/输出耦合:容性或感性(tap)；„有载Q值:15,25,40(通过改变输入/输出耦合获得)；„调谐:使用螺钉或没有调谐；典型的PIM测试系统PIM测量(双频测试)„测量装置:Summitekmod.SI900A(transmissionset-up)两个信号频率的选择：„信号f1必须靠近TXband的低端(935MHz)„为了在RXband(915MHz)获得较低的3th阶交调产物，信号f2设在956MHz左右。„腔体调在(f1+f2)/2测试结果测试结果的解释„PIM对QL的依赖看起来类似于模型的估算值；„腔体尺寸增加会降低PIM(随着Q0增加)；„柱的横截面(方或圆)似乎不影响PIM；„电容耦合的PIM性能比直接耦合（tapcoupling）好；„调谐螺钉强烈增加PIM(5-15dB)„测量镀银后的PIM，似乎镀银后PIM会增加(特别是带调谐螺钉和直接耦合的情况)。PIM与输入功率的关系模型的计算结果第一部分结论为降低腔体固有的PIM:‰去掉调谐螺钉；‰在结构中不要有焊锡(避免直接耦合)；‰镀银层的厚度至少要有趋肤深度的3-5倍(为了避免粘合层的影响，比较典型的粘合层使用镍)；„证明了QL和Q0对PIM的影响；„内导体的形状(方或圆)似乎不影响PIM„一个3th阶模型并不足以匹配PIM和输出功率Po的关系。双工器中产生的PIM谐振腔的等效电路双工器的线性响应非线性分析（谐波平衡法）PIMatRXoutvs.frequencyContributiontoPIMfromTXresonatorsPIMvs.Filterstopology电子科技大学贾宝富博士现代滤波器设计讲座（九）一些典型例子ProblemswithsilverplatingResonatorsdesignDissimilarmetals结论：制作低PIM滤波器的“好规则”‰宽的谐振器环；‰较深的谐振器并且不要加载太重；‰角不要太尖；‰在不同类型的金属之间不要接触；‰注意交叉耦合的位置；‰在腔体中调谐螺钉要短；‰洁净；‰注意焊接点；‰良好的银镀层；‰确保良好的接触。除非线性因素外，在滤波器和同轴连接器中生成无源交调的还有以下几个方面的原因。（1）金属零件电镀过程中未清洗干净的电镀溶液。（2）镀层导电性不好，镀层厚度不够。（3）表面锈蚀。（4）中心接触件的不同金属材料。（5）信通道内的磁线材料。（6）较低的接触点正压力。（7）表面粗糙度大。（8）连接器内的碎屑和灰尘。（9）螺旋状的信号通道。3、无源交调的预防措施针对上述无源交调产生的原因，在滤波器和射频同轴连接器设计和制造中应采取以下措施。1）从电镀角度考虑，为降低无源交调，减少接触电阻，最好采用镀银层，厚度应在6um以上，镀层应无杂质且必须用铬酸盐钝化。但镀银层易变色的问题在某些场合要慎重考虑。镀金也是较好的选择，但成本较高。2）在产品结构设计方面尽避免出现阻抗不连续性，尽可能保持一致的特性阻抗，减小非线性因素。3）选择导电率高的材料，如铜及其合金，避免采用不锈钢或其它含磁性材料，即便要用导磁率应小于2.0。4）提高表面加工质量，一般表面粗糙度应在0.4um以下。并且不得有凹坑，碎屑等杂物。5）导电体表面不得有斑点和锈蚀。6）选择良好的弹性材料，进行精细加工和真空热处理，以保证接触件在500次插拔过程中具有稳定可靠的接触正压力和较小的接触电阻。7）避免不同金属，特别是彼此之间可能产生电动势耦合的不相容金属互相结合，防止产生电化学腐蚀。总之，无源交调对连接器和通信系统的研究人员来说都是一个新的课题。本文仅是作者根据收集来的材料获得的一些心得，仅供业界同行交流和参考。